En 1974, un físico del Fermilab predijo una nueva forma en que las partículas fantasmales llamadas neutrinos interactuarían con la materia. Más de cuatro décadas después, Un equipo de físicos dirigido por UChicago construyó el detector de neutrinos más pequeño del mundo para observar la elusiva interacción por primera vez.

Los neutrinos son un desafío para estudiar porque sus interacciones con la materia son muy raras. Particularmente esquivo ha sido lo que se conoce como dispersión elástica coherente de neutrinos-núcleos, que ocurre cuando un neutrino choca contra el núcleo de un átomo.

La Colaboración COHERENTE internacional, que incluye físicos en UChicago, detectó el proceso de dispersión mediante el uso de un detector que es lo suficientemente pequeño y liviano para que lo lleve un investigador. Sus hallazgos, que confirman la teoría de Daniel Freedman de Fermilab, fueron reportados el 3 de agosto en la revista Ciencias .

"¿Por qué se necesitaron 43 años para observar esta interacción?" preguntó el coautor Juan Collar, Profesor de Física UChicago. "Lo que ocurre es muy sutil". Freedman no vio muchas posibilidades de confirmación experimental, escribiendo en ese momento:"Nuestra sugerencia puede ser un acto de arrogancia, porque las limitaciones inevitables de la tasa de interacción, la resolución y el fondo plantean graves dificultades experimentales ".

Cuando un neutrino choca contra el núcleo de un átomo, crea un pequeño, retroceso apenas mensurable. Hacer un detector con elementos pesados ​​como el yodo, El cesio o el xenón aumentan drásticamente la probabilidad de este nuevo modo de interacción de neutrinos, en comparación con otros procesos. Pero hay una compensación dado que los diminutos retrocesos nucleares resultantes se vuelven más difíciles de detectar a medida que el núcleo se vuelve más pesado.

"Imagina que tus neutrinos son pelotas de ping-pong que golpean una bola de boliche. Solo van a impartir un pequeño impulso adicional a esta bola de boliche, "Dijo Collar.

Para detectar ese pequeño retroceso, Collar y sus colegas descubrieron que un cristal de yoduro de cesio dopado con sodio era el material perfecto. El descubrimiento llevó a los científicos a deshacerse de los pesados, detectores gigantes comunes en la investigación de neutrinos para uno similar en tamaño a una tostadora.

Sin laboratorio gigantesco

El detector de 4 pulgadas por 13 pulgadas utilizado para producir el Ciencias los resultados pesan sólo 32 libras (14,5 kilogramos). En comparación, Los observatorios de neutrinos más famosos del mundo están equipados con miles de toneladas de material detector.

"No es necesario construir un laboratorio gigantesco a su alrededor, "dijo el estudiante de doctorado de UChicago Bjorn Scholz, cuya tesis contendrá el resultado reportado en el Ciencias papel. "Ahora podemos pensar en construir otros detectores pequeños que luego puedan usarse, por ejemplo, para monitorear el flujo de neutrinos en plantas de energía nuclear. Solo pones un pequeño detector en el exterior, y puedes medirlo in situ ".

Físicos de neutrinos, mientras tanto, están interesados ​​en utilizar la tecnología para comprender mejor las propiedades de la partícula misteriosa.

"Los neutrinos son una de las partículas más misteriosas, "Dijo Collar." Ignoramos muchas cosas sobre ellos. Sabemos que tienen misa, pero no sabemos exactamente cuánto ".

Mediante la medición de la dispersión elástica coherente de neutrinos-núcleos, los físicos esperan responder a estas preguntas. La Colaboración COHERENTE Ciencias papel, por ejemplo, impone límites a los nuevos tipos de interacciones neutrino-quark que se han propuesto.

Los resultados también tienen implicaciones en la búsqueda de partículas masivas de interacción débil. Los WIMP son partículas candidatas para la materia oscura, que es material invisible de composición desconocida que representa el 85 por ciento de la masa del universo.

"Lo que hemos observado con los neutrinos es el mismo proceso que se espera que esté en juego en todos los detectores WIMP que hemos estado construyendo, "Dijo Collar.

Callejón de neutrinos

La Colaboración COHERENTE, que involucra a 90 científicos en 18 instituciones, ha estado llevando a cabo su búsqueda de dispersión de neutrinos coherente en la fuente de neutrones de espalación en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee. Los investigadores instalaron sus detectores en un corredor del sótano que se conoció como "callejón de neutrinos". Este corredor está fuertemente protegido por hierro y hormigón del área objetivo del haz de neutrones altamente radiactivo, a solo 20 metros (menos de 25 yardas) de distancia.

Este callejón de neutrinos resolvió un problema importante para la detección de neutrinos:filtra casi todos los neutrones generados por la fuente de neutrones de espalación, pero los neutrinos aún pueden llegar a los detectores. Esto permite a los investigadores ver más claramente las interacciones de los neutrinos en sus datos. En otros lugares, serían fácilmente ahogados por las detecciones de neutrones más prominentes.

La fuente de neutrones de espalación genera los haces de neutrones pulsados ​​más intensos del mundo para la investigación científica y el desarrollo industrial. En el proceso de generar neutrones, el SNS también produce neutrinos, aunque en cantidades más pequeñas.

"Podría utilizar un tipo más sofisticado de detector de neutrinos, pero no el tipo correcto de fuente de neutrinos, y no verías este proceso, ", Dijo Collar." Fue la unión de la fuente ideal y el detector ideal lo que hizo que el experimento funcionara ".

Dos de los exalumnos graduados de Collar son coautores del artículo de Science:Phillip Barbeau, AB'01, SB'01, PhD'09, ahora es profesor asistente de física en la Universidad de Duke; y Nicole Fields, PhD'15, ahora es físico de la salud en la Comisión Reguladora Nuclear de EE. UU. en Chicago.

El desarrollo de un detector de neutrinos compacto hace realidad una idea que el ex alumno de UChicago, Leo Stodolsky, SM'58, PhD'64, propuesto en 1984. Stodolsky y Andrzej Drukier, ambos del Instituto Max Planck de Física y Astrofísica en Alemania, señaló que un detector coherente sería relativamente pequeño y compacto, a diferencia de los detectores de neutrinos más comunes que contienen miles de galones de agua o centelleador líquido. En su trabajo, predijeron la llegada de futuras tecnologías de neutrinos posibilitadas por la miniaturización de los detectores.

Scholz, el estudiante de posgrado de UChicago, saludó a los científicos que han trabajado durante décadas para crear la tecnología que culminó en la detección de la dispersión coherente de neutrinos.

"No puedo comprender cómo deben sentirse ahora que finalmente se ha detectado, y han logrado uno de sus objetivos en la vida, "Dijo Scholz." Llegué al final de la carrera. Definitivamente tenemos que dar crédito a todo el tremendo trabajo que la gente ha hecho antes que nosotros ".